Глава 1. ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭВМ

Автоматическая обработка информации в ЭВМ осуществляется в процессе взаимодействия отдельных ее устройств и узлов. Координация этого взаимодействия с целью выполнения заданной последовательности преобразований информации возложена на устройство управления (УУ) ЭВМ. В основу организации УУ положен принцип программного управления по хранимой в памяти ЭВМ программе.

В процессе построения УУ решается ряд вопросов, связанных с выбором списка команд, реализуемых ЭВМ, организацией управления выполнением последовательности команд и операций, локализацией и доступом к хранимой в памяти информации и т.д. Эти вопросы и рассматриваются в настоящей главе.

1.1 Общие сведения об управлении ЭВМ

Цифровую вычислительную машину с точки зрения протекающих в ней информационных процессов можно рассматривать в качестве некоторого преобразователя, выполняющего детерминированное преобразование информации, поступающей на его вход [3]. При этом входное слово преобразователя, заданное в некотором входном алфавите A = {a1, a2, ... , аn}, однозначно определяет слово на выходе преобразователя, задаваемое в выходном алфавите B = {b1, b2, ... , bn}. Выходной алфавит в может совпадать со входным алфавитом A или отличатся от него. Иначе говоря, в процессе обработки информации в ЭВМ осуществляется отображение слов алфавита A в слова алфавита B. Такие отображения называют алфавитными отображениями или алфавитными операторами.

Алфавитные операторы, задаваемые с помощью конечной системы правил (или, иначе говоря, конструктивно задаваемые), называют алгоритмами. Существует определенное различие между собственно алфавитным оператором и алгоритмом. Если для понятия алфавитного оператора важно лишь соответствие между входными и выходными словами, но не способ задания этого соответствия. Два алгоритма являются эквивалентными, если у них совпадают алфавитные операторы, но различны способы их задания.

В теории алгоритмов большое внимание уделяется общим способам задания алгоритмов, т.е. таким способам, которые позволяют задать алгоритм, эквивалентный любому известному. Общий способ задания алгоритмов называют алгоритмической системы или классом алгоритмов.

Существуют различные алгоритмические системы: рекурсивные функции, машины Тьюринга, системы продукций Поста, нормальные алгоритмы А.А. Макарова, операторные схемы А.А. Ляпунова, алгоритмические языки.

Алгоритмы обладают следующими основными свойствами:

-определенностью, состоящей в недвусмысленности образующих алгоритм указаний;

-массовостью, заключающейся в применимости алгоритма к некоторому множеству входных слов (исходных данных);

-результативностью, т.е. возможностью получения результата за конечное число шагов алгоритма.

Устройства для реализации алгоритмов посредством преобразования дискретной информации, задаваемой в некотором алфавите, называют дискретными (цифровыми) автоматами. Основной особенностью является наличие у них дискретного множества внутренних состояний. Если множество состояний конечно, то и автомат называют конечным.

В процессоре ЭВМ, как и в отдельных ее устройствах для целей проектирования и анализа, принято выделять операционную и управляющую части. Операционная часть включает набор функциональных узлов (операционных элементов): счетчики, регистры, сумматоры и т.д. Количество этих узлов в ЭВМ или отдельных ее устройствах конечно, и каждый из них может выполнять конечное число различных действий, управление которыми осуществляется по сигналу, поступающему из управляющей части.

Таким образом, УУ управляют конечным числом блоков ЭВМ и вырабатывают конечные последовательности (вследствие свойства результативности алгоритмов) управляющих сигналов, а значит имеют конечное число внутренних состояний, входных и выходных сигналов. В связи с этим для описания и проектирования УУ широко применяют теорию конечных автоматов.

Одной из разновидностей конечных автоматов являются программные автоматы, к которым и относятся цифровые вычислительные машины. В основу их работы положен принцип программного управления, предполагающий разделение всей информации, с которой оперирует автомат, на две части: собственно информацию (входные данные) и информацию об алгоритме (программу). Эти части представляются в виде информационных слов (ИС) и управляющих слов (УС) хранимых в памяти ЭВМ, что влечет за собой в большинстве современных ЭВМ операционно-адресную организацию процесса выполнения алгоритма, при которой управляющие слова задают операции алгоритма и место положение в памяти операционных слов (операндов), участвующих в операции. Алгоритм решения задачи на ЭВМ описывается последовательностью УС (программой), определяющих очередность и характер выполняемых действий.

Управляющие слова в зависимости от сложности и времени выполнения задаваемых ими преобразований информации разделяются на команды и микро команды.

Командой называют записанную в некотором алфавите совокупность всех сведений, необходимых для выполнения некоторых операции в машине.

Под структурой команды понимают перечень сведений (элементов команды), необходимых для выполнения операций.

Форматом команды называют распределение отдельных элементов команды по символам (цифрам) слова, изображающего команду.

Большинство команд ЭВМ включает операционную (код операции) и адресную части. Структура и формат операционной части команды определяются перечнем отличающихся друг от друга операций, которые могут выполняться конкретной ЭВМ, и построением УУ. Структура и формат адресной части команд зависит от количества указываемых в команде адресов, объема адресуемой (как правило, оперативной) памяти и способов адресации (формирования адресов памяти, см.1.3), реализуемых УУ. Разрядность команды обычно равна или кратна разрядности информационного слова (или обе эти разрядности кратны одной и той же величине, например, восьмиразрядному байту), что позволяет хранить в ячейках одного и того же запоминающего устройства и информационные слова, т.е., операнды и результаты, и команды.

Совокупность всех выполняемых машиной команд, отличающихся друг от друга операционной частью и/или форматом адресной части, называется набором команд или системой команд ЭВМ. Универсальные ЭВМ (универсальные программные автоматы) должны обладать универсальной системой команд.

Понятие универсальности трактуется для ЭВМ как возможность выполнения ей заранее заданного алгоритма. Это означает, что универсальная ЭВМ решить любую задачу, для которой имеется или может быть составлен алгоритм ее решения. В тоже время известно, что существуют алгоритмически неразрешимые задачи.

Универсальный набор команд может включать различное число команд. Например, Ван дер Полем рассматривается обеспечивающий универсальную обработку информации набор команд, содержащий только команду "вычесть и записать" [14]. В.М. Глушковым предложен универсальный набор команд, состоящий из команд, близких и используемых в машине Тьюринга. Этот набор включает шесть команд ввод, вывод, пересылка информации из одной части (ячейки) памяти в другую, переадресация (изменение адреса) на +1 и на −1, условный переход по точному совпадению слова.

Очевидно, что программы для решения даже простых задач, написанные с помощью этих наборов команд, будут состоять из очень большого числа команд и занимать много места в памяти. На практике в универсальных ЭВМ используется значительно более расширенный набор команд, включающий в типовых случаях до двухсот и более команд.

Выполнение команды сводится к выполнению более мелких операций

– микроопераций, задаваемых последовательностью микрокоманд. Микрооперацией (МО) называют элементарный акт преобразования

или передачи информации, выполняемый, как правило, за один машинный

такт (под действием одного тактирующего синхроимпульса). Типичными МО являются установка (исходных) состояний отдельных узлов и операционных элементов, выполнение элементарных преобразований (сдвига, суммирования, логических операций) информации в операционных элементах, пересылка в информации между отдельными узлами или операционными элементами, обращение к памяти и др.

Микрокомандой (МК) называют набор сведений, необходимых для выполнения одной или нескольких микроопераций, реализуемых в течение одного машинного цикла (цикла процессора).

Необходимо отметить, что понятия машинного такта и машинного цикла иногда используются в несколько ином смысле. Например, под тактом может пониматься последовательность синхроимпульсов, в ходе которой выполняется серия микроопераций, связанных с какой-либо частью процессора выполнения команды (например, с формированием адреса операнда и извлечением его из памяти). Аналогично под машинным циклом в некоторых моделях ЭВМ понимают цикл выполнения команды (см. п. 1.4).

Микропрограммой (МП) называют последовательность микрокоманд или микроопераций, необходимых для выполнения одной машинной операции.

Набор микроопераций, реализуемых операционной частью ЭВМ, должен позволять составить микропрограмму выполнения любой команды, входящей в систему команд данной ЭВМ, т.е. должен обладать полнотой по отношению к заданной системе команд. Вопросы полноты набора микроопераций рассмотрены в работе [4].

Таким образом, с учетом названных особенностей организации вычислительного процесса ЭВМ с традиционной структурой устройство управления ЭВМ должно реализовывать следующие функции:

1.Формирование адреса команды, подлежащей выполнению.

2.Выборку очередной команды из памяти и хранение команды или ее части во время выполнения задаваемых командой операций.

3.Определение типа команды и/или операции и формирование соответствующего цикла выполнения команды (последовательности тактов или циклов процессора, необходимых для выполнения команды).

4.Формирование адресов операндов.

5.Извлечение операндов из памяти и отсылку их в арифметическологическое устройство(АЛУ).

6.Запуск АЛУ на выполнение операции (при наличии отдельного блока управления АЛУ) или формирование управляющих сигналов, для управления выполнением операций в АЛУ (при отсутствии отдельного блока управления АЛУ).

7.Формирование адреса результата и запись его в память.

Первые три функции относят к управлению выполнением последовательности команд, последние четыре – к управлению выполнением операций. Для определенных типов команд реализация последних функций может не требоваться.

В соответствии с двумя названными группами функций в УУ иногда выделяют блок управления командами и блок управления операциями. Однако такое разделение не всегда имеет место в действительности.

Кроме перечисленных основных функций, устройство управления обеспечивает также пуск и останов ЭВМ, пультовые и системные операции (например, переключение состояний, прерывания) и ряд других дополнительных функций.

1.2. Управление выполнением последовательности команд и операций

Функции УУ, относящиеся к управлению выполнением последовательностей команд, должны обеспечивать автоматический переход к очередной команде программы по окончании выполнения текущей команды. Для этого устройству управления необходимо, прежде всего, определять местоположение в памяти (адрес) очередной команды.

Существуют два основных варианта определения варианта адреса очередной команды. В первом из них в выполняемой команде в явном виде указывается адрес очередной команды. Такой способ приводит к принудительному порядку следования команд (ППСК) программы, а располагающиеся в программе друг за другом команды могут размещаться в ячейках памяти с произвольными адресами. Во втором случае адрес очередной команды явно не указывается, а получается из адреса выполняемой команды посредством добавления к нему величины, равной числу слов (байтов), занимаемых выполняемой командой. При таком способе говорят о естественном порядке следования команд (ЕПСК) программы, а сами команды размещаются в ячейках памяти с последовательными адресами.

ППСК приводит к некоторому сокращению общего числа команд в программе за счет исключения команд переходов. Однако сами команды в этом случае имеют увеличенную разрядность из-за необходимости включения в них поля адреса очередной команды. В настоящее время ППСК используются редко.

Естественный порядок следования команд не требует указания в команде адреса очередной команды, однако разветвления и циклы в программа приводят к нарушению ЕПСК. Поэтому в современных ЭВМ в качестве основного режима используется естественный порядок следования команд, который в необходимых случаях сочетается с принудительным порядком следования команд. Это обуславливает наличие в системе команд любой ЭВМ, по меньшей мере, двух типов команд: операционных команд,

задающих какие-либо преобразования информации, и команд управления, вызывающих переход к некоторому участку программы. Выполнение команд первого типа не нарушает ЕПСК, команды второго типа являются средством реализации ППСК.

Рассмотрим управление выполнением последовательности команд на примере УУ, оперирующего с одноадресными командами (см. п. 1.4). В адресной части в этом случае указывается: в операционных командах – адрес операнда, в командах управления – адрес очередной команды программы.

Рис. 1. Структурная схема устройства управления ЭВМ с одноадресной системой команд

Структурная схема УУ представлена на рис.1. На схеме показаны только те узлы УУ, которые участвуют в реализации функции управления выполнением последовательности команд, и оперативная память (ОП), где хранятся команды выполняемой программы. На рисунке выделены следующие узлы: РК – регистр команд, СчАК – счетчик адреса команд, ДшКОП –дешифратор кода операций, УА УУ – управляющий автомат УУ, ГС

– генератор импульсов синхронизации (синхроимпульсов), РА – регистр адреса ОП, РД – регистр данных, ОП и БУ ОП – блок местного управления оперативной памятью. Последние три блока относятся к оперативной памяти, а не к устройству управления, причем БУ ОП в некоторых типах ОП не выделяется в самостоятельный блок.

Врегистре команд РК выделены два поля: КОП – поле кода операции

иадресное поле А, в которых размещаются собственно операционная и адресная части команды.

узлов операционной части. Эти сигналы тоже поступают на вход УА УУ. Синхронизация работы управляющего автомата осуществляется генератором импульсов синхронизации ГС, вырабатывающем одну или несколько серий синхроимпульсов.

Рассматриваемое УУ функционирует следующим образом. В исходном состоянии в СчАК заносится адрес команды, подлежащей выполнению. Занесение адреса может производиться с пульта управления ЭВМ или какимлибо иным образом. После запуска сигналом Пуск УУ начинает вырабатывать управляющие сигналы в такой последовательности.

Впервом такте вырабатывается сигнал y1: (РА):=(СчАК), и адрес подлежащий выполнению команды передаётся в РА оперативного ЗУ.

Во втором такте вырабатывается сигнал y2: ЧтОП, и в оперативной памяти начинает выполнятся микрооперация чтения команды. По окончании этой МО команда, подлежащая выполнению, оказывается в регистре данных ОП.

Втретьем такте вырабатывается сигнал y3, вызывающий передачу считанной из Оп команды в регистр команд. Одновременно вырабатывается

сигнал y5, по которому к содержимому СчАК добавляется единица и формируется следующей команды программы. Эта МО может быть выполнена и во втором такте. Тем самым УУ оказывается подготовленным к выборке очередной команды.

Дальнейший ход работы УУ зависит от типа выбранной команды. Если выбранная из памяти команда относится к операционному типу, то в следующих тактах УА УУ вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для выполнения задаваемой командой операции. По окончании операции (цикла выполнения команды) УУ переходит к формированию нового цикла выполнения команды, т.е. начинает повторять описанное выше первое, второе и третий такты. Поскольку при этом при начале первого такта

вСчАК установлен адрес следующей команды, то процессор начинает обработку очередной команды программы, реализуя тем самым естественный порядок следования команд.

Если после выполнения третьего такта будет установлено, что выбранная команда относится к командам управления, то УА УУ в следующем такте вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для определения адреса очередной команды, который может отличаться от находящегося к этому моменту в СчАК увеличенного на единицу адреса выполняемой команды.

Существует большое число различных команд управления, многие из которых рассматриваются в [1]. Наиболее распространёнными являются команды безусловной передачи управления (безусловного перехода) и условной передачи управления (условного перехода) по значению какоголибо условия. Ниже рассматриваются только эти команды.

Команда безусловной передачи управления (БП) указывает на то, что дальнейшее выполнение программы после этой команды следует

продолжить, начиная с команды, адрес которой указан в адресном поле команды БП.

Команда условной передачи управления (УП) по заданному условию (например, при получении нулевого результата после выполнения предшествующей команды)указывает на необходимость продолжения программы(начиная с команды, адрес которой записан в адресном поле команды УП) в том случае, если выполняется заданное условие. В противном случае, при рассматриваемом одноадресном формате команд, осуществляется переход к следующей за командой УП команде программе.

Тогда при выполнении команды БП в четвертом такте УА АА вырабатывается управляющий сигнал y4, вызывающий передачу содержимого разрядов адресного поля РК в СчАК. На этом выполнение команды БП заканчивается, и УА АА переходит к формированию первого такта цикла выполнения новой команды. Поскольку в СчАК теперь находится адрес, указанный в выполненной команде БП, то очередная команда будет выбрана из памяти по этому адресу. Тем самым реализуется принудительный порядок следования команд.

При выполнении команды УП в четвертом такте проверяется заданное условие перехода, значение которого поступает в УА УУ из операционной части процессора. Если это условие выполняется, то вырабатывается управляющий сигнал y4 и команда УП действует так же, как и команда БП. Если проверяемое условие не выполняется, то в четвертом такте не производится не каких действий и содержимое СчАК не изменяется.

Таким образом, рассмотренное УУ осуществляет управление выполнением последовательности команд, при котором естественный порядок следования команд является основным режимом, при необходимости нарушаемым командами управления.

Функции УУ, относящиеся к управлению выполнением операций, обеспечивают автоматическое выполнение всех преобразований информации, соответствующих указанной в команде операционного типа операции, над операндами, адреса которых заданны в команде. Для этого УА УУ необходимо выработать последовательность управляющих сигналов, позволяющих извлечь из ОП требуемые операнды, переслать их в АЛУ, реализовать в АЛУ микропрограмму заданной операции и при необходимости записать полученный результат в ОП.

Рассмотрим управление выполнением операций на примере УУ ЭВМ с трехадресной системой команд. В адресной части команд указывается два адреса А1 и А2 операндов и адрес А3, по которому записывается результат. Структурная схема такого УУ представлена на рис. 2, где изображены только те узлы УУ, которые реализуют функции управления выполнением операций, ОП и АЛУ (регистры АЛУ на схеме не показаны). Все обозначения отдельных узлов и блоков данной схемы совпадают с обозначениями, принятыми на рис.1. Исключение составляет регистр команд (РК), в адресном поле которого выделены три адреса А1, А2 и А3, адресное

АЛУ (Адр АЛУ), мультиплексор (МП) и управляющий автомат АЛУ (УА АЛУ).

Рис. 2. Структурная схема устройства управления ЭВМ с трехадресной системой команд

Адресное АЛУ предназначено для формирования исполнительных адресов операндов и результата по заданным в команде адресам, например, путем добавления к последним некоторой величины, называемой базой или индексом, или каким-либо иным способом (см. п.1.3). Этот блок изображен на рис.2 пунктиром, так как в простейших ЭВМ может и не входить в состав УУ. Цепи управления передачей базы (индекса) на вход Адр АЛУ на схеме опущены.

Мультиплексор предназначен для передачи на вход Адр АЛУ одного из адресов А1, А2 или А3 в соответствующих тактах цикла выполнения команд.

Управляющий автомат АЛУ служит для формирования управляющих сигналов внутри АЛУ согласно микропрограмме выполняемой операции, для чего на него подаются также сигналы с выхода ДшКОП. Запуск УА АЛУ осуществляется одним из управляющих сигналов, формируемых УА УУ

(y1...уN) – сигналом Пуск АЛУ. Управляющий автомат УУ может остановить на время дальнейшее формирование управляющих сигналов до окончания операции в АЛУ. По окончании выполнения заданной микропрограммы в АЛУ управляющий автомат АЛУ формирует сигнал АЛУ готово, поступающий в УА УУ, который после получения этого сигнала продолжает свою работу. Однако такое взаимодействие управляющих автоматов имеет

место только при распределённом управлении (см. с.28), применяющемся не во всех ЭВМ. Поэтому УА АЛУ показан на рис. 2 пунктиром. При его отсутствии управление микропрограмм различных операций в АЛУ осуществляется непосредственно УА УУ.

Управляющие сигналы y1... y9 соответствуют следующим МО:

y1: (РК[A1]) → Адр АЛУ – передача содержимого разрядов поля А1 регистра команд на вход адресного АЛУ;

y2: (РК[A2]) → Адр АЛУ – аналогична y1; y3: (РК[A3]) → Адр АЛУ – аналогична y1 и y2;

y4: Адр АЛУ → (РА) – занесение в регистр адреса ОП информации с выхода адресного АЛУ;

y5: (Р1):=(РД) – занесение содержимого регистра данных(первого операнда) в регистр Р1 АЛУ;

y6: (Р2):=(РД) – занесение содержимого регистра данных (второго операнда) в регистр Р2 АЛУ;

y7: (РД):=(Р3) – занесение в регистр данных содержимого Р3 АЛУ (результата выполнения операции в АЛУ; регистр Р3 может быть тем же, что и Р1 или Р2);

y8: ЧтОП; y9: ЗпОП – аналогичны рассмотренным ранее.

Рассмотрим работу данного УУ с того момента, когда после выборки из ОП очередная команда программы поступила в РК. Пусть эти действия были произведены в первых трех тактах цикла выполнения команды; выбранная команда является командой операционного типа, по которой следует выполнить двухместную операцию, например сложение.

Тогда в четвертом такте после анализа кода операции УА УУ

вырабатывает управляющие сигналы y1 и y4 вызывающие передачу адреса А1 первого операнда на регистр адреса ОП. В пятом такте формируется сигнал y8 и выполняется чтение первого операнда из ОП по заданному адресу. В результате операнд оказывается размещенным в регистре данных ОП. В шестом такте УА УУ вырабатывается управляющий сигнал y5 и первый операнд передается в регистр Р1 АЛУ. Регистр Р1, входящий в состав АЛУ, как и регистры Р2 и Р3, на рис.2 не показаны.

Аналогичным образом выполняется выборка второго операнда и посылка его в регистр Р2 АЛУ под действием управляющих сигналов y2 и y4, y8 и y6, вырабатываемых в седьмом, восьмом и девятом тактах.

В десятом такте УА УУ вырабатывается управляющий сигнал Пуск АЛУ, запускающий УА АЛУ на выполнение микропрограммы заданной операции. (если УА в АЛУ отсутствует, то в последующих тактах УА УУ сам вырабатывает сигналы, необходимые для выполнения операции в АЛУ). Поскольку длительность этого такта зависит от характера выполняемой в АЛУ операции, то УА УУ приступит к формированию следующего такта только по получению сигнала АЛУ готово.

Водиннадцатом такте УА УУ формирует сигналы y3 и y4, под действием которых адрес результата передается в РА ОП, и сигнал y7 передачи в регистр данных результата выполненной в АЛУ операции из регистра Р3 АЛУ.

Вдвенадцатом такте формируется управляющий сигнал y9, под действием которого производится запись результата, находящегося в РД, в оперативную память по заданному адресу.

На этом выполнение команды заканчивается и УА УУ переходит к формированию нового цикла выполнения команды, в котором будет обрабатываться следующая команда программы.

Граф-схема микропрограммы, соответствующей изложенному порядку выполнения команды, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Граф-схема микропрограммы выполнения команд

Первые три оператора этой микропрограммы относятся к управлению выполнением последовательности команд и рассматриваются в первой части данного параграфа. Нумерация всех условных вершин граф-схемы опущена для того, чтобы номера операторных вершин совпадали с номерами вышеописанных тактов цикла выполнения команды. В условной вершине ОКД осуществляется анализ типа команды, а условие ОКД принимает